探索未來的先進材料
文 : 鄭智友
中國內地共有四個原子探針層析技術（APT）實驗室，不過都坐落在長江以北地區，因此對先進材料納米結構的研究員來說，城大的APT實驗室彌足珍貴。
尤其特別的是，城大的APT技術與其他實驗室相比，能更快捷、便宜和有效率地產生數據。
城大傑出教授、新材料專家劉錦川教授解釋道：「以前需要花兩天半時間才能獲取的數據，使用城大去年新添置的APT設備，不用半天就可取得了。」
高解析度立體成像
APT是原子尺度材料研究中一項令人振奮的分析技術。研究人員可借助APT作立體形態檢視—即檢視目標項目的最高空間解析度形態和成分。
劉錦川教授 城大APT實驗室在去年建立，是2015年獲研究資助局協作研究金撥款的項目。劉教授是這項新設備的負責人，他說：「我們如今在這個實驗室，能利用更快速有效的技術，觀察各種納米形態的形狀、大小和組成。」他是美國工程院院士和中國工程院外籍院士。
城大的新設備可非常清晰地展現納米尺度材料的立體特徵，其重要性體現在幾個層面。它產生的可視數據，令分析師在設計結構材料和功能材料時，能操控其微結構。例如，APT技術可在納米尺度上識別高強度鋼材中的各種納米粒子，使研究員能掌握其大小、形態、成分和元素分佈以協助增加物料的強度。
劉教授說：「作為材料科學家，我們都希望能準確定位和識別單個原子和原子簇，探究結構材料和功能材料的原子結構與其基本物理和力學特性的聯繫。」
穩據納米研究前沿
香港研究人員多年來面對的困難，是缺乏先進設備去進行這種高水平的納米材料分析。全球有90台APT設備，大多數位於美洲及歐洲，香港和整個華南地區都沒有這種設備。研究人員以往只能依靠海外的APT中心，這種做法不僅成本高，在安排上也頗為費時費事。
城大與香港大學、香港科技大學、香港中文大學及香港理工大學攜手合作，在城大建立了APT實驗室，目的是在先進材料和納米科學相關領域的研究中保持競爭力。
劉教授說：「過去我們雖能確定哪些材料是強韌的，卻不清楚原因。有了APT，我們能更深入了解納米粒子的形態和結構、它們的分佈及構成，由此知道如何通過加強材料性能，研製出更先進的新材料。」這方面的顯著例子，莫過於研發超高強度的新型鋼材，用於建造更安全堅固的建築物、車、船、能源轉換系統。
APT設備的技術原理是這樣的：將約7千伏特電荷施加到針狀試樣（例如納米結構的鋼）上，原子被激發後通過電極移動到檢測器，檢測器就根據諸如飛行時間、離子衝擊到探測器上的位置和其他由受激離子反映的因素等數據重建納米結構，結果得到納米結構特徵的立體可視樣本，以及其化學成分的數量分析及形態。
劉教授說：「我們的APT技術出色之處在於，以前只有約37%的原子通過檢測器形成立體圖像；而現在城大擁有的APT設備（LEAP5000R）能夠捕捉到52%的原子，使納米結構分析的精確度大大提高。」
投資未來
當然，APT是昂貴的設備。這種技術的成本約為3千萬港元，但使用自家的APT（LEAP5000R）要比借用世界其他地方的APT設施便宜得多。在城大建立APT實驗室前，香港的研究人員一直借用外部資源。
劉教授說：「我們與香港其他大學聯合建立的立體原子探針設備，為科學家在先進材料領域的創新和發現提供了大量機會。如要在刊物上發表一流的研究成果，就需要尖端設備，所以這項投資是非常值得的。」
破解40年的謎題
研究先進材料的科學家最近有一項重要發現：他們破解了金屬玻璃合金領域一個40年的謎題。物理學講座教授、物理及材料科學系系主任王循理教授（下圖右二）指出，這項研究結果解釋了一個關於掃描某種特定金屬玻璃合金時出現熱力異常的謎團。
他說：「我們發現了一種金屬玻璃在成型過程中未為人知的無定型狀態。由此，我們可以調整金屬玻璃的納米結構，從而產生更好的材料。」
玻璃的分子排列與液體的相似，但玻璃的分子排列較緊密。因此，科學家想了解液體與玻璃的界限在哪裏，以及原因為何。這一領域的科學探索，被列入2005年7月出版的《科學》雜誌「100個科學問題清單」中。清單上的其他問題包括：我們的宇宙是唯一的嗎？甚麼驅動了宇宙膨脹？最初的恒星和星系是何時及如何形成的？
城大學者用高能同步輻射X射線和中子衍射，獲取金屬玻璃成型過程中出現的無定型多態相轉變的證據。洞悉該過程中這一未知領域，意味研究人員能更深入了解如何調整材料，從而研發出嶄新的先進材料。
王教授說：「這次成果屬玻璃物理學的重大發現，使我們可以進一步探索，透過促使或形成無定型狀態，從而調整玻璃合金的特質，製造出較大體積的物料，以便有更廣泛的應用。」